大型燃煤机组能耗分布与回热系统优化分析_武宇.docx

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1、 国内图书分类号： TK-9 国际图书分类号： 621.1 学校代码： 10079 密级 .公开 硕士学位论文 大型燃煤机组能耗分布与回热系统优化分析 硕士研究生 ：武宇 导 师 /杨勇平教授 申 请 学 位 ： 工 学硕士 学 科：动力工程及工程热物理 专 业：热能工程 所 在 学 院 ：能源动力与机械工程学院 答 辩 日 期 ： 2011年 3月 授予学位单位：华北电力大学 Classified Index: TK-9 U.D.C: 621.1 Thesis for the Master Degree Energy Consumption Distribution and Optimiza

2、tion Design of Large Capacity Coal-fired Power Units Candidate： YuWU Supervisor： School： Prof.Yongping YANG School of Energy Power and Mechanical Engineering Date of Defence： March, 2011 Degree-Conferring-Institution ： North China Electric Power University 华北电力大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文大型燃煤机组

3、能耗分布与回热系 统优化分析，是本人在导师指导下，在华北电力大学攻读硕士学位期间独立进行 研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他人已发表或 撰写过的研究成果。对本文的研究工作做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以 明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作 者 签 名 日 期 ： 2 年 巧 月 泠 曰 大型燃煤机组能耗分布与回热系统优化分析系本人在华北电力大学攻读硕 士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归华北电力大学 所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解华北电力大学 关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向

4、国家有关部门或机构送交论文 的复印件和电子版本，同意学校将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，允许论文被查阅和借阅。本人授权华北电力大学，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存、可以公布论文的全部或部分内容。 本学位论文属于（请在以上相应方框内打 “ V”) ： 保密 4 年解密后适用本授权书 华北电力大学硕士学位论文使用授权书 不保密 作者签名 ： A 闩期： /年。 j月外闩 肀北 ill力火学硕 L学位论文 摘 要 我国能源结构决定了以煤电为主的发电格局，降低燃煤发电机组的能耗是我国 火力发电面临的重要任务。为了实现节能降耗的目标，分析大型燃煤发电机组能耗 分布状况，对汽

5、轮机回热系统进行优化设计具有重要意义。本文围绕大型燃煤机组 能耗分布及回热系统优化设计展开研究，主要研究工作包括： 首先，基于单耗分析理论，推导出火电机组的锅炉、汽轮机、回热加场器 、小 汽机、凝汽器、主再热蒸汽管道、轴封加热器、凝结水泵、给水泵等设备附加单耗 的计算方法，建立大型燃煤发电机组稳态工况下能耗空间分布模型；定义了相对降 耗效应系数，使第二类设备对机组节能降耗贡献的评价更加具有通用性。最后，论 述了能耗分布规律和相对降耗效应系数对大型燃煤发电机组节能降耗的指导意义。 其次，基于大型燃煤发电机组能耗空间分布模型，分别对 1000 MW超超临界 机组、 600 MW超临界机组和 600

6、MW空冷机组进行案例分析，不仅给出系统总体 单耗指标，还给出总体单耗在各设备间的分布情况，即设备的附 加单耗。将三种类 型机组的能耗分布特点进行比较分析，得到了大型燃煤发电机组能耗时空分布规 律，分析了大型燃煤机组节能潜力的大小和部位。 最后，根据火电机组定功率变工况分析理论，进行变工况建模，确定回热加热 器停运后的系统参数，其目的是为分析回热加热器的降耗效应提供数据。以某 1000MW超超临界机组为案例，计算加热器的降耗效应、附加单耗和相对降耗效应 系数。通过分析，发现了回热加热系统设计的不合理之处，提出 1000MW超超临界 机组回热系统优化方案，并对优化方案进行经济性分析，为大型燃煤机组

7、回热系统 的优化设计提出指导。 关键词：单耗分析；大型燃煤机组；能耗分布；回热系统；优化设计 平北屯力火学硕 L:学位论文 Abstract The pattern of coal-based power generation is determined by China Js energy structure. Therefore, it is an important task for our thermal power to reduce the energy consumption of coal-fired generating units. In order to achieve

8、energy saving targets, it is of great significance to make energy consumption analysis of large coal-fired power distribution units and to optimize the design of the steam turbine regenerative feed system. In this paper, attention is focused on the energy distribution of large coal-fired units and t

9、he optimization design of regenerative feed system. The main research work as follows: Firstly, based on consumption analysis theory, we intend to deduce the system calculation model of Additional Consumption (b) for the major equipment of thermal power unit and to establish the spatial distribution

10、 model of large coal-fired power generating units of steady-state conditions. The major equipment includes boiler, steam turbine, heat heater, small steam turbine, condenser, the main reheat steam pipe, seal heater, condensate pumps and water pumps ect. Besides, Relative Consumption Effect Coefficie

11、nt () is defined, which can direct-viewing shows heaters contributions to energy-saving in coal-fired power units. Finally, this paper presents that the consumption analysis theory has great significance for energy saving of large coal-fired generating units. Secondly, based on energy consumption an

12、alysis theory of the spatial distribution model, the thesis takes cases to analyze 1000MW ultra-supercritical units, 600 MW supercritical units and 600 MW air cooling units. By comparing and analyzing to the energy consumption of these three types of units, the results reveal preliminarily the rule

13、of energy consumption space-time distribution for large capacity coal-fired power units. In the end, based on specific consumption analysis theory and variable condition theory, heaters Consumption effect (7) and Relative consumption effect coefficient are calculated. Therefore, it can provide data

14、for the analysis of the the heater saving effect. In addition, the thesis takes cases to analyze heater ?s Consumption effect (yS7), Additional consumption (b) and Relative consumption effect coefficient (7). The purpose is to propose optimization design of regenerative feed system for 1000MW ultra-

15、supercritical units. The unreasonable place existed in the heat regenerative system is found, and improvement plan is given. In the end, there are some economy analyses on the optimum design program, demonstrating the important realistic significance of specific consumption analysis theory. 平北电力大学硕

16、I:学位论文 Keywords: specific consumption analysis theory; large capacity coal-fired power units; energy distribution; regenerative feed system; optimization design in 平北 111力大学硕上学位论文 目录 m w . I Abstract . II 0 录 . IV 第一章绪论 . 1 1.1研究背景及意义 . 1 1.2国内外研究现状 . 2 1.3本文内容 . 3 第二章单耗分析理论及应用 . 4 2.1单耗分析理论 . 4 2.2

17、产品单耗的构成 . 4 2.2.1产品的理论最低单耗 . . 4 2.2.2设备的附加单耗 . 5 2.3火电机组附加单耗数学模型 . 6 2.4设备的降耗效应和相对降耗效应系数 . 8 2.5单耗理论在燃煤机组节能降耗中的应用 . 9 2.6本章小结 . 10 第三章大型燃煤机组能耗分布 . 11 3.1大型燃煤机组能耗分布计算思路 . 11 3.2热平衡计算 . 11 3.3 1000MW超超临界机组能耗分布 . 13 3.3.1 1000MW超超临界机组热力系统 . 13 3.3.2计算蒸汽和给水温度压力和流量 . 14 3.3.3机组火用流图 . 15 3.3.4机组能耗分布 . 16

18、 3.3.5汽轮机侧能耗分布 . 18 3.4 600MW超临界机组能耗分布 . 20 3.4.1 600MW超临界机组热力系统 . 20 3.4.2计算蒸汽和给水温度压力和流量 . 20 3.4.3机组能耗分布 . 22 3.4.4汽轮机侧能耗分布 . 24 IV 华北电力人学硕士学位论文 3.5 600MW空冷机组能耗分布 . 26 3.5.1 600MW空冷机组热力系统 . 26 3.5.2计算蒸汽和给水温度压力和流量 . 27 3.5.3机组能耗分布 . 28 3.5.4汽轮机侧能耗分布 . 30 3.6本章小结 . 33 第四章火电机组热力系统变工况分析 . 34 4.1汽轮机通流部

19、分的变工况分析 . 34 4.1.1调节级的变工况 . 34 4.1.2中间级组的变工况 . 35 4.1.3末级 (处于湿蒸汽区的级 )的变工况 . 36 4.2凝汽器的变工况 . 36 4.3加热器的变工况 . 37 4.4变工况算法 . 37 4.4.1变工况模型的几个概念 . 37 4.4.2变工况算法 . 39 4A3程序流程图 . 40 4.5本章小结 . 41 第五章回热系统优化分析 . 42 5.1回热加热器的降耗效应和相对降耗效应系数 . 42 5.2案例分析 . 43 5.2.1加热器降耗效应分析 . 43 5.2.2加热器相对降耗效应系数分析 . 44 5.2.3综合分析

20、降耗效应指标和相对降耗效应系数指标 . 45 5.3相对降耗效应系数在回热系统优化设计中的应用 . 48 5.3.1优化方案 . 48 5.3.2优化方案热经济性分析 . 48 5.4本章小结 . 50 第六章结论与展望 . 52 6.1结论 . 52 6.2展望 . 52 . 53 攻读硕士学位期间发表的学术论文 . 55 攻读硕士学位期间参加的科研工作 . 56 V 平北屯力人学硕丨 :学位论文 致 谢 ,57 VI 华北屯力大学硕士学位论文 第一章绪论 1.1研究背景及意义 我国能源结构决定了以煤电为主的发电格局，降低燃煤发电机组的能耗是 我国火力发电面临的重要任务。自电力体制改革以来，

21、我国电力工业取得了巨 大成就，全国发电装机容量和发电量连续 16年位居世界第二，成为仅次于美国 的全球第二电力大国。据统计数据显示，截止到 2009年底，我国燃煤火电装机 总容量约6.5亿千瓦，到 2020年将达到 10.7亿千瓦 1，增加 4.2亿千瓦。 虽然我国电力工业处于不断快速发展的阶段，但无论在技术装备还是运行 管理水平都与世界先进国家存在一定的差距。根据统计数据显示， 2009年全国 燃煤电站供电标准煤耗为 342 g/kWh3， 这与世界先进水平 310 g/kWh还有一定 差距，说明我国火力发电仍然具有巨大的节能潜力。 为了实现电力的可持续发展，高效率、低污染的超超临界机组正在

22、成为燃 煤火力发电的主流机组。预计到 2020年，在役超临界机组和超超临界机组将占 火电机组总容量的 30%， 2050年将占 50%2。据统计数据显示，截止到 2009 年底，我国火电机组装机容量中 300MW以上大型火电机组装机容量超过 4亿 千瓦，占火电装机总容量的比例超过 63%31。其中超超临界机组和空冷机组发 展现状如表 1-1所示： 表 1-1超（超）临界机组和空冷机组发展现状 3) 机组 台 总容 M A火电机组总平均供屯煤 (万 kWe)容 M比例（ )粍 (gce/kWh) 最低供电煤耗 (gce/kWh) lOOOMWe超超临界 25 2500 3.84 290 282(

23、中能上海外三 ） 超超临界 （ 600660MWe) 16 984 1.5 308 - 超临界 （ 600660MWe) 150 9100 14 310 302(中能上海外二 ） 600MWe空冷 61 3660 5.61 340 323 (华能河北上安 ） 大型燃煤机组具有高参数大容量的特点，设备空间尺度大、设备耦合性强， 相对于传统中小机组的参数和结构具有不同之处，因此，对大型燃煤机组进行 全面的经济性分析具有现实意义。如何降低大型燃煤机组能耗，必须清楚机组 能耗的分布状况，分析机组节能潜力的大小和部位。因此，分析大型燃煤发电 机组能耗分布状况，改进和优化回热系统对于降低火电机组能耗，指导

24、回热系 统的设计，具有重要意义。 华北电力大学硕士学位论文 1.2国内外研究现状 第一定律分析法是迄今应用最广泛的分析节能问题的方法，常见的方法主 要有：常规热平衡法 m、循环函数法 9、等效热降法 1()_12、热耗变换系数法 13_14、矩阵法 1547等。第一定律分析法关注机组总体能耗及锅炉热效率和汽轮 机的热耗等指标，它的优点在于符合人们的传统概念，容易理解和掌握，如果 运用得当，对节能实践可得到很好的指导作用。然而，第一定律分析法有很大 的片面性和局限性，因为它所依据的是能在量上的守恒性，而不是能的全面本 性，对机组内部各设备和过程的能耗分布未能科学评价，不能全面指导火 电机 组的节

25、能降耗工作。 相对于热力学第一定律，第二定律分析法更加严谨和科学，已经引起世界 各国的普遍重视。最常用的有熵分析方法和倾分析方法 U8_24。熵分析法的主要 内容是通过对体系的熵平衡计算，求取熵产的大小和分布，分析影响熵产的因 素，确定熵产与不可逆损失的关系，作为凭借过程的不完善性与改进过程的依 据。熵分析方法也有很明显的不足之处。首先，无法用它来评估能流的使用价 值，因而不便用统一的尺度来考察各类用能装置的完善程度。其次，熵的概念 比较抽象，其物理意义是表征由有序到无序的转变度，本身并不是一种 能量。 基于以上各点，近年来倾分析法得到了很大的发展。烛分析法是在热力学两大 定律基础上结合环境情

26、况从对能的本性的全面认识以及从能的实用性出发而提 出的一种思想和方法。倾分析法认为，能分为两类，即蛐和炖两部分构成。其 中，灿是在给定的环境下具有无限可转化性的能量，炖则是不具有任何可转化 性的能量。在一切实际的不可逆过程中，不可避免的发生能量的贬值和变质， 火用的总量将减少。这种退化是无法逆转的，称之为 WS损失 1。炯分析方法的实 质是利用姻平衡求解灿损失或 效率 261。与传统的热量法相比，它综合考虑了 能 量在数量和质量两个方面所利用的程度 &28。 WS分析法虽然克服了能量分析 的不足，然而实践证明它依然未在工程界得到广泛的应用，反应了它依然存在 着不足。首先是灿的概念比较抽象，规定

27、环境基准引起的 ;)(目值的不统一性。其 次是灿效率的定义人为规定性成分起很大的作用，从而使它有了多义性和多值 性，有传递效率、普遍效率和目的效率等的区别，不同效率的数值有差异，有 时差异甚至可达 90%以上，同一效率在不同理解时其数值也有差异。 鉴于此，华北电力大学宋之平教授以热力学第二定律为基础，提出单耗分 析理论，以产品单耗作 为节能降耗的主要指标，分析单耗的构成及其分布和变 化的图景 291，一方面，它能清楚地反应系统单耗在各设备间的分配以及设备单 耗在系统总单耗中的地位，这无疑为节能分析提供了很好的指导。另一方面， 2 平北屯力人学硕 :学位论文 它还能使我们在对设备进行改造时可以清

28、楚地看到这一改造对系统总单耗的影 响，从而对系统有全面细致的认识 3()1。 单耗分析是在蛐分析和灿经济学的基础上所设计的能量系统分析的理论和 方法，它不但保留了姻分析和倾经济学的优点，削弱了其不确定性，而且直观， 易被理解和运用，以比后者更实用、更直观的形式出现，因而更便于工程的实 际应用 31。 单耗分析理论将机组总体单耗分为理论单耗与设备工作过程不可逆性引起 的附加单耗，能清楚地反应系统单耗在各设备间的分配以及设备单耗在系统总 单耗中的地位。因此，将单耗分析理论用于大型燃煤机组节能降耗分析具有较 强的工程实践意义。 1.3本文内容 为了实现降低大型燃煤机组能耗的目标，本文基于单耗分析理论

29、和变工况分析 原理，分别以 1000 MW超超临界机组、 600 MW超临界机组和 600MW空冷机 组设计数据为基础，计算设备附加单耗，得到大型燃煤机组空间能耗分布规律， 进一步分析回热加热器降耗效应，发现回热系统的不足之处，提出优化方案， 并进行了经济性分析。本文的研究工作包括以下几方面的内容： (1) 基于单耗分析理论，推导出火电机组的锅炉、汽轮机、回热加热器、 小汽机、凝汽器、主再热蒸汽管道、轴封加热器、凝结水泵、给水泵等设备附 加单耗的计算方法，建立大型燃煤发电机组稳态工况下能耗空间分布模型； (2) 分别对 1000 MW超超临界机组、 600 MW超临界机组和 600MW空冷 机

30、组进行案例分析，将三种类型机组的能耗分布特点进行比较分析，得到了大 型燃煤发电机组能耗时空分布规律，分析了大型燃煤机组节能潜力的大小和部 位； (3) 基于变工况分析原理和单耗分析理论，定义了回热加热器的评价指标， 即相对降耗效应系数。对 1000MW超超临界机组进行案例分析，计算回热加热 器的降耗效应、附加单耗和相对降耗效应系数。通过综合分析这三种评价指标， 发现了回热加热系统设计的不合理之处，提出 1000MW超超临界机组回热系统 优化方案，并对优化方案进行经济性分析，为 大型燃煤机组回热系统的优化设 计提出建议。 3 华北电力大学硕士学位论文 第二章单耗分析理论及应用 2.1单耗分析理论

31、 单耗分析理论以产品单耗作为节能降耗的主要指标，以科学而直观的方式 展示燃料单耗的构成、分布以及影响因素，以便对改善设计、优化运行、促进 管理科学化，从而实现节约资源、降低成本的目标提出指导性的依据 235。 所谓单耗就是生产单位产品所消耗的能源和原材料，它比热效率指标更直 接，因而在产业部门得到了广泛的使用。对凝汽式火电机组而言，燃料为化石 燃料，产品为电能，单耗即为发电煤耗率。 bs Bs F/ef (Pyjj)/ef We P/ep P/ep + _ P/er 式中： bs - 标准发电单耗 ; Bs一一标准煤耗量； We - 机组发电量； (2-1) F一一投入系统的燃料总嫺值 ; P

32、 产品的总火用值； ;一一设备及过程的蛐耗损 : -一单位燃料所含烛值 ; %一一单位产品所含 ； )(用值； bmin一一产品的 Si仑最低单耗； bj一一设备或过程的附加单耗。 2.2产品单耗的构成 对于燃煤火电机组热力系统而言，其产品的单耗一般包括两部分：一部分 是理论最低单耗另一部分是为生产电能而需付出的设备的附加单耗是 设备不可逆损失的一种定量描述，在可逆的情况下其值为零 29。 2.2.1产品的理论最低单耗 产品的理论最低单耗是指在可逆情况下，在没有附加单耗的理想系统中， 4 半北电力大学硕士学位论文 单位产品在理论上所必须消耗的最低燃料量，其数值为单位产品所蕴涵的用值 与单位燃料

33、所蕴涵的倾值之比 2 设 F为投入系统的燃料总灿值， P为产品的总灿值，由于在没有任何附加 损失的理想系统中， P=F， 根据定义，产品的理论最低单耗 /可表示为： Km = F/eF)/(P/eP) = /eF =3600*1000/29271.2 = 123g I kWh (2-2) 式中， 分别为单位产品和单位燃料所含姻值。任何产品的理论最低 单耗是一个定值。 2.2.2设备的附加单耗 不论是物质生产或是能量转换都是通过一定的工艺或能量系统来完成的， 而系统中任何设备的运行都不是无代价的，它们为推动过程的进行，都需要消 耗一定的燃料，从而造成附加单耗 29。附加单耗产生的原因是设备运行过

34、程中 的火用耗损，它可以通过设备的灿平衡求得。 实际单耗 6与理论最低单耗之差称为 “ 产品的附加单耗 ” ，它等于系统 中诸 “ 设备的附加单耗 ” 的总和。 投入系统的燃料 W1F， 一部分被转移到产品中成为产品灿 P; 部分被系 统所排放成为排放灿 /?，一部分由于过程的不可逆性导致作功能力损失成为火用 损失I, 在 过 渡 工 况 中 ， 还 有 一 部 分 = 被存储于系统的各个设备中。 在能量系统中，作为各个设备的过程推动力和代价被消耗和散失的火目称为 ； )(用耗 损。设备的 :W耗损可由设备的焖平衡中得出。记 (/+ ,为第 /备的焖耗损， 则 E/ = E/+(I +R +

35、AC)1 (2-3) 其中， /和分别为设备 /的进口火用与出口倾，一般是内部流。对于与燃 料、产品等外部流联系的设备， /或中应相应地包括燃料火 I0F或产品火用尸。 排放灿则被并入倾耗损项中。 设备 /的附加单耗为 bs =(ep/eF)/P(I+R+AC), =ep / e f)l PE, - E, (2-4) 机组的总体单耗（发电煤耗率 ） 为： b=bmin +Ab=bmin +2； (2 5) 对长期稳定运行的系统或设备， /(C,可忽略不计。设备 I的附加单耗是该 设备不可逆损失的度量，在可逆情况下其值为零。因此利用附加单耗数值的横 向与纵向比较可以确定设备的热力学完善程度及其变

36、化，即 b,可以作为衡量设 华北电力人学硕 .1.学位论文 备完善性的指标。与灿效率相比，它的最大优点就是具有单值性，而且它是产 品单耗的直接组成部分，可以直观地看出它在产品单耗中的地位 29。 2.3火电机组附加单耗数学模型 设备或过程的附加单耗主要通过其灿损的大小来计算，烛的大小根据姻平 衡确定。对燃煤电厂主要包括锅炉、汽轮机、主再热蒸汽管道、回热加热器、 凝汽器、轴封加热器、凝结水泵、给水栗等设备和过程，具体计算公式如下： (1)锅炉熥损 .不计排烟损失和空气所带来的烟，不计锅炉的排污损失。 h =Dfef + (Dwew + D five Jw) + Drherh e Drherh (

37、26) Df 一燃料量 ef一一燃料比火用 给水流量 给水比火用 Dw - 减温水流量 减温水比火用 D。 一一主蒸汽流量 一一主蒸汽比火用 Drh - 再热蒸汽流量 erh 一一再热蒸汽冷段比姻 e； 一一再热蒸汽热段比火用 锅炉附加单耗： bb=(Ib/ef)/(P/ep) = Ib(ep/ef)/P (2-7) (2) 主蒸汽管道倾损： p-5 =Dbeb - e (2-8) 主蒸汽管道附加单耗： b,s-(IpJef)/(P/ep) = Ip.s(ep/ef)IP (2-9) (3) 高压缸灿损： IHP = D0e0 - DA - D2e2 - Drhe - Y Dflefi - A

38、/, - WHP (2-10) ra fri 高压缸附加单耗 bhp-(Jhpf)KPIep) = Ihpep/ef)/P (2-11) (4) 中压缸灿损： IMP = D,A + Df 2ef2 - D3e3 - Dnefi WMP (2-12) 中压缸附加单耗 bMP=IMplef)lPlep) = IMP(eplef)IP (2-13) (5) 低压缸烛损： 6 华北屯力大学硕上学位论文 (2-14) hP = DLA - D5e5 - D6e6 - D7e7 - Dse8 - D - WLP 低压缸附加单耗 K=iIiplef)HP l ep) = IePlef)IP (2-15)

39、(6)凝汽器姻损： h=c+Ddw8edw8+Drer-D： e： (2-16) Dc一一排汽流量 ec一一排汽比火用 Ddw& - 八段疏水流量 - 八段疏水比火用 一一小汽机流量 efT一一小汽机比火用 D一一凝结水流量 e:一一凝结水比火用 凝汽器附加单耗： bc=(Ic/ef)/(P/ep) = /c(ep/ef)/P (2-17) (7) 凝结水泵灿损： Icp =Wcp-D： (e：； -ec) (2-18) 凝结水泵附加单耗： bcp=(Icp/ef)/(P/ep) = Icp(ep/ef)/P (2-19) (8) 轴封加热器姻损： (2-20) 轴封加热器单耗： b5S=Isglef)lPlep) = Isseplef)IP (2-21) (9) 八段抽汽及 8#低加 ； )(财员： 8 = 8e8 + A/.7erfM， 7 - _ A: (ew8 _ .8) (2-22) 八段抽汽及 8#低加附加单耗： b8=(Is/ef)/(P/ep) = Is(ep/ef)/P (2-23) (10) 七段抽汽及 7#低加灿损： /7 = D7e7 +Ddw6edwb -Ddwledwl -Dc(ewl -ewl) (2-24) 七段抽汽及 7#低加附加单耗 ： b1=I1lef